LASER För att förstå det här arbetet kan det vara bra att veta vad en laser egentligen är, och hur den fungerar. Ordet laser är en förkortning, det står för Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (ljusförstärkning med hjälp av stimulerad utsändning av strålning.) Skillnaden mellan laserljus och vanligt ljus är att medan en vanlig glödlampa skickar ut ljus i flera våglängder, och i flera olika riktningar, har allt ljus från en laser exakt samma våglängd, och är helt parallellt. För att förstå varför man kan få ljuset att bli parallellt måste man förstå vad ljus är. Ljus förklarat på ett lätt sätt är ett elektriskt fält som varierar i styrka som en våg. Ett elektriskt fält har förmågan att påverka allt som har en elektrisk laddning (t ex en elektron). När det elektriska fältet kommer nära en atom kommer elektronerna att börja gå i ellipsbanor runt kärnan. Detta betyder att elektronerna kommer att kunna hoppa mellan första och andra atomskalet som har lediga platser för elektroner. Om man ska få ut rött ljus från en laser belyser man mediet, (det ämne som ska sända ut laserljuset), med ljus av en kortare våglängd (ofta grönt). När atomerna i mediet träffas av det gröna ljuset kommer elektronerna att hoppa ut till det tredje lediga skalet, ligga där under en väldigt kort tid och sedan falla tillbaka till det andra skalet. Det är när elektronerna faller tillbaka från skal två till skal ett som ljus utsänds från atomen. Eftersom alla elektronerna samtidigt hoppade till det tredje skalet kommer ljuset att ha samma våglängd. Om man ska förstå hur en laser fungerar är en bra liknelse den med rundgång mellan mikrofon, högtalare och förstärkare. Om en förstärkare förstärker 10 000 gånger så blir det rundgång om mikrofonen kommer så nära högtalaren att den plockar upp mer än en tiotusendel (säg t ex en femtusendel). Detta eftersom ljudet då förstärks med förstärkningen gånger det som plockas upp (återkopplas) av mikrofonen (i vårt fall tiotusen gånger en femtusendel dvs. två gånger). En laser är rundgång för ljus. För att göra detta behöver vi återkopplare och förstärkare. Vi börjar med förstärkare. När elektronerna i exemplet ovan kommer till skal nummer två ligger de där i ungefär en millisekund. Om ingenting inträffar ramlar de ner till skal ett och vanligt rött ljus sänds ut. Men om en ljusstråle med rätt våglängd passerar tillräckligt nära kommer elektronerna att ramla ner till skal ett samtidigt som de förstärker den förbipasserande ljusstrålen. Denna förstärkning sker i samma riktning och i samma takt som den förbipasserande strålen har. Maimans Rubinlaser Den förste som lyckades bygga en laser, eller en optisk maser som det kallades då, var Theodore Maiman. En beskrivning av hans laser finns nedan. Mediet i laser är en konstgjord rubinstav, ca 15 cm lång och med en diameter på ungefär 1 cm. Den ena kortänden är helförsilvrad vilket gör den reflekterande. Den andra kortänden, den ifrån vilket ljuset ska komma, är halvförsilvrad. Detta betyder att den kommer att släppa igenom hälften av allt det ljus som träffar den, och reflekterar den andra hälften. När ljus utsänds från någonting inuti denna kommer det alltså att reflekteras totalt överallt, utom mot den halvförsilvrade ytan som skickar tillbaka 50% av sitt ljus till den bakre väggen. Som pumpningskälla, (det ljus man skickar mot mediet), till denna laser använder man en elektronblixt, som när den tänds får elektronerna att gå i elliptiska banor (se: Vad är en laser). Det gröna ljuset från elektronblixten lyfter elektronerna till den tredje nivån. Därifrån faller de raskt ner till nivå två. Innan lasern har tänts finns nu inget ljus som i våglängd precis motsvarar ett hopp från nivå två till ett. Till att börja med kan alltså ingen förstärkning ske. Det röda ljuset skickas ut åt alla håll och är då inte laserljus. Men förr eller senare sänds en sådan ljusstråle ut precis vinkelrätt mot spegeln. Denna kommer då att förstärkas och återkopplas omväxlande, dvs en laserstråle växer upp mellan speglarna. Återkopplingen gör alltså att ljuset bara kan gå fram och tillbaka mellan speglarna. Vi har alltså fått en parallell, enfärgad ljusstråle: en laserstråle. Rubinlasern var den första laser som byggdes men har nu blivit ganska omodern, bl a därför att ljuset bara kan skickas ut i pulsad form. Försöker man få staven att lysa hela tiden kommer denna, trots kylning, att bli så varm att den förstörs. Nyare lasertyper Ett material som nu mera är vanligt att göra laserstavar av är neodym-dopad YAG, som är en kristall som kan ge infrarött laserljus. Detta ljus kan vi inte se med våra ögon. Men för alla användnings områden där man använder detektorer eller elektroniska kameror går det minst lika bra med infrarött ljus. Detta gäller t ex lasermätutrustningar som jag ska berätta mer om sedan. Ännu vanligare numera är att det lasrande materialet är en gas. Detta gäller t ex i helium-neon lasrar som ger rött ljus och kommit att bli de vanligaste lasrarna för demonstrationsändamål t ex i skolorna. Eftersom den är relativt billig men ändå har bra strålkvalitet, används den ofta även för mindre ljuskrävande mätändamål. När mera ljus krävs te x vid mätning av stora avstånd använder man i stället argonjonslaser som ger grönt eller blå-grönt ljus. Men den i särklass vanligaste lasern är halvledarlasern som förekommer i många tillämpningar där strålkvaliteten inte måste vara så bra, där utrymmet är begränsat eller där ett lågt pris är viktigt. Sådana sitter t ex i CD-spelare, laserskrivare och i butikskassor. Denna laser är mycket liten, hela utrymmet mellan speglarna är ofta bara 0,1 mm. Denna lasertyp används också tillsammans med optiska fibrer i telekommunikation Användningsområden för laser Laser kan användas till många saker. De områden som jag tänkte sa upp är: ? Laser inom sjukvården ? Laser som mätinstrument ? Laser inom militären Eftersom man kan använda lasern till så mycket kan man tro att den har många bra egenskaper men den har faktiskt bara tre: Ljuset ligger i fas Att ljuset ligger i fas betyder att fotonerna svänger i takt med varandra. Ljuset är enfärgat Allt laserljus från en och samma laser är av exakt samma våglängd vilket medför att allt ljuset har samma färg. Ljuset är parallellt Alla fotoner är på väg åt något så när samma håll, vilket ger en liten belysningsytan även på långt håll. Detta gör även att laserljuset är lätt att fokusera. laser inom sjukvården Laser används inom sjukvården vid olika operationer i stället för en Vanlig skalpell. Den egenskap som kommer till nytta här är att ljuset är parallellt vilket som sagt gör att man kan fokusera ljuset till en liten mycket varm punkt ( ca 8000°C(lasern man använder är på ca 10W) med en lins. Fördelarna med att använda laser i stället för skalpell är bl a att blodet i ett blodkärl som blivit avskuret med laser koagulerar omedelbart, samt att en laser aldrig lämnar några rester efter sig. Ljus är så sterilt som någonting kan bli. Det sistnämnda är till stor hjälp om man t ex ska operera mot grön starr, en ögonsjukdom som beror på att trycket inne i ögats kammare blir för högt. Orsaken till sjukdomen har varit känd i över 150 år, så att borra i ögat för att minska trycket är ingen ny idé. Gör man det med en metallborr blir det dock alltid rester av borren kvar i såret (inga stora bitar men tillräckligt för att ögat ska reagera på irritationen). Dessa retar ögat till att bygga igen såret så ungefär tre veckor efter ingreppet måste man operera igen. Om man i stället gör ingreppet med laser blir det mycket mindre komplikationer, 8000° räcker för att helt och hållet förånga all vävnad, så att det blir ett mycket litet men ändå helt rent hål. Ljus lämnar inga spår efter sig. Efter ett tag fylls hålet igen av avlagringar från bl a tårvätska, men detta tar oftast 20-30 år. De första lyckade försöken att behandla grön starr på detta sättet utfördes för ca 25 år sedan. Redan i början av seklet gjorde man i Ryssland försök att bota lättare synfel av typen när-/långsynthet genom att skära litet i ögats yttersta del, hornhinnan, och därmed förändra ljusbrytningen i den. Denna metod var dock långt ifrån tillförlitlig, eftersom man helt och hållet var tvungen att lita på att läkaren bedömde snittet helt rätt. Om han slant kunde han förstöra hela ögat! Under 80-talet utvecklades tekniken att göra samma ingrepp med en excimerlaser (en laser som ger ultraviolett ljus). Lasern styrdes av en dator, som var betydligt "stadigare på handen" än en rysk läkare. Resultaten var goda och denna metod har blivit allt vanligare under 90-talet. Kirurgiska ingrepp är dock det ända man kan en laser till inom sjukvården. De sk laserklinikerna som påstår sig kunna behandla bl a ryggont med laser är enbart bluff. Naturligtvis uppkommer det i många fall en placeboeffekt, men behandlingen skulle aldrig fungera på någon som är skeptisk. Laser som dessa "kliniker" har tillstånd att använda får inte vara starkare än 5 milliwatt. Inom ögonkirurgin använder man alltså en laser som är på ca 10 W = 10 000 milliwatt. Den maximala effekten man kan få ur en sådan laser mot en människas ryggtavla är jämförbart med den som fås om man håller en tänd cigarettändare 20 cm från ryggen. (Vid sidan om, inte under). Om man själv provar med en tändare känner man att det inte är så mycket. Laser som mätinstrument Eftersom laser ljuset är parallellt har det förmågan att färdas långa sträckor och fortfarande vara samlat i ett litet knippe när det kommer fram. Detta kommer till god användning när man ska mäta avstånd. Det första sättet som användes (och det enklaste) var att helt enkelt använda lasern som radar. Man skickar iväg en impuls av ljus och mäter hur lång tid det tar för ljuset att komma tillbaka. Detta fungerar inte på korta sträckor eftersom tiden det tar för ljuset att komma tillbaka blir för kort för att kunna mätas. Ljuset färdas nämligen 300 000 km på en sekund. Laserradar används därför bara på avsnitt längre än 500 m. Noggrannheten är ca 1 m på en km. Den metod som oftast använd för avståndsmätning numera är triangulering, som både är noggrannare (1cm på 1km) och har fördelen att det går att mäta avstånd ner till 1 cm med den. Laser inom militären Sedan de första dagar då artelleripjäser gjort det möjligt att skjuta enorma mängder sprängämnen på ett speciellt mål, har man strävat efter att få bättre precision i skjutandet. Det hittills yttersta av denna sträva har medierna gång på gång matat oss med i form av bilder från gulfkriget, där amerikanerna använde sina "smart bombs". De är bomber vars precision tangerar gränserna för det möjliga. Den uppfinning som gjorde det möjligt att från tio kilometers håll styra in en raket genom ett irakiskt källarfönster var lasern. Forskningen bakom laserstyrda bomber mötte i början många problem. Att stadigt fästa på en punkt från ett flygplan som förflyttade sig med hög hastighet var en enorm utmaning, frånsett de extra komplikationer som medförs av undanmanövrar och luftgropar. Föregångaren till gulfkrigets lasersikten var det amerikanska Paveway-systemet, vilket gick ut på att belysa mål med en radarstråle. En sensor i bombspetsen fånar sedan upp den reflekterade strålningen och navigerar efter den. Detta system togs i bruk 1967 och finns fortfarande kvar i äldre bombplan. Ett stort steg i utvecklingen av effektiva lasersikten togs i och med konstruktionen av ett gyro (ett gyro kan hålla kompassen rakt hur det än guppar i planet ) som kunde rotera så fort att "lasermålningen" förblev stadig även vid överljudsbombningar. De lasrar som oftast användes i lasersiktena var antingen YAG eller koldioxidlasrar. En annan gren inom utvecklingen blev att ta fram en pekare som var liten och lätt nog att bäras av infanteriet. Nu kunde man skicka in små styrkor av soldater med bärbara lasersikten att välja ut strategiskt viktiga mål i förväg. Strategic Defence Initiative Strategic Defence Initiative ( SDI ) var den amerikanske president Reagans storslagna program menat att minska hotet från sk ICBM, interkonentala kärnvapenbärande robotar. Projektet, som i folkmun kallades "Star Wars" gick ut på att med hjälp av de modernaste tänkbara metoder att skjuta ned och förstöra eventuella fientliga robotar innan dessa nådde sitt mål. Detta skulle göras med högeffektiva pulslasrar monterade på sateliter som täckte det amerikanska luftrummet. Hitintills har dock satelitburna pulslasrar för militärt bruk förblivit en dröm, eftersom kostnaderna för att transportera upp en sådan kraftkälla i rymden skulle överstiga värdet på effektiviteten hos vapnet.